지진에 의한 지하수의 수리지구화학적 변동에 대한 고찰

1. 서 론

지진에 의해 발생된 지하수의 수위 변화, 주요 이온의 화학성분 변화, 하천 흐름(stream flow)의 변동 등이 지난 10여년간 보고되어 왔다(Thomas, 1988; Montgomery and Manga, 2003; Shi et al., 2020; Barberio et al., 2017; Jeon et al., 2011). 자동으로 측정하는 장치의 발전으로 인해, 지진에 의한 지하수의 수위(groundwater level), 온도(temperature), 하천의 흐름(stream flow), 라돈의 농도 등의 변화를 상대적으로 쉽게 측정하고 보고하고 있다(Wakita, 1996). 예를 들어, 아이슬란드에서는 지진 전과 후에 지하수의 수리지구화학 변동을 살펴보기 위하여 Húsavík (2002년 이후)과 Hafralækur (2008년 이후) 두 지역에서 모니터링을 지속적으로 실시하고 있다(Skelton et al., 2019). 이러한 지하수 모니터링을 통해 지진과 연관된 수리지구화학적인 변동을 관찰하고 이를 지진의 전조로서의 가능성을 타진할 수 있게 되었다(Shi et al., 2020). 하지만, 지하수 화학성분의 변화는 지각의 응력변화에 민감하여 지진을 예측하는 데에 매우 도움이 될 수 있음에도 불구하고, 지진에 의한 지하수의 화학성분 변화는 물리적인 변동(수위변화)에 비해 많이 보고되지 않았다. 이는 국내에서 더욱 두드러지는데, 수리지구화학 성분을 주기적으로 측정하기에는 지속적인 관측시스템을 구축하기 어려우며, 인력으로 시료를 채취하기 때문에 비용이 많이 들고, 실험실에서의 분석으로 인해 시간이 많이 소모되는 단점이 있기 때문이다.

이러한 단점에도 불구하고, 지진과 관련된 수리지구화학적인 변동은 암석과 물의 상호작용 및 지각 깊은 곳에서의 정보를 제공해 줄 수 있기 때문에 매우 중요하다. Claesson et al. (2007)에서는 지진 전과 후에 주요 이온(major ion), 미량원소(trace element), 동위원소(isotopes) 값이 모두 변하는 것을 보고하였다. 또한, 철이나 납 등 중금속의 농도 및 동위원소가 지진에 어떻게 반응하는가에 대한 연구도 보고되어 있다(Poitrasson et al., 1999; Schuessler et al., 2016). 아이슬란드의 경우에는 3번의 지진을 통해 5개의 수리지구화학 변수(δ¹⁸O, δD, Na, Si, K)가 지진 전에 변동이 있었으며, 7개의 변수(Ca, Na, Si, Cl, SO₄, δ¹⁸O, δD)가 지진 후에 변하였음을 보고하였다(Skelton et al., 2019). 2016-2017의 이태리 중부에서 발생한 지진에서 4개의 온천에서의 미량원소(Al, Cu, Pb, Mn, Sr)의 농도가 크게 변하였으나, 주요 이온은 크지 않은 변화를 나타내었다. 지하수의 주요 이온, 미량원소 및 동위원소들이 지진에 어떻게 반응하는 가를 이해하는 것은 어떤 지하수의 성분을 모니터링 할 것인가를 정하는 데 매우 중요하다. 대부분의 지진 관련 연구에서 주요 이온을 지속적으로 관찰하고 있지만 미량원소를 모니터링하는 연구는 그리 많지 않다. 미량원소는 지진에 민감하게 반응하는 것으로 알려져 있지만, 경우에 따라 특정 원소만 민감하게 반응하는 것으로도 보고되어 있다(Skelton et al., 2019). 따라서, 주요 이온 및 미량원소가 지진에 어떻게 반응하는가에 대한 이해 및 비교가 필요하며, 어떠한 기작(mechanism)에 의해 변동이 발생하는지에 대한 고찰이 필요할 것이다. 본 논평에서는 해외연구사례에서 보고되어 있는 주요 이온, 미량원소 및 동위원소가 지진 전과 후에 어떻게 반응하는지와 어떠한 기작으로 수리지구화학적인 변동이 일어나는지에 대해 고찰하고자 한다. 이는 수리지구화학적인 요소가 향후 지진을 감지하기 위한 전조로서 장기적인 모니터링의 필요성에 당위성을 부여할 수 있을 것으로 판단된다.

2. 지진과 수리지구화학적인 변동과의 관련성 및 사례

지진과 수리지구화학성분의 변동성과의 관련성에 대하여 표 1에 해외연구사례를 정리하였다. 본 논문은 지진과 지하수의 수리지구화학 변동과의 상관성에 대하여 초점을 두었기 때문에 주요 이온, 미량원소 및 동위원소의 분석법에 대해서는 언급하지 않을 것이다. 약 30년 전, 지진의 전조로서 활성단층 주변에서 특정 성분의 가스 및 휘발성 물질의 농도가 높아진다는 것을 선행연구를 통해 확인하였다(King, 1986). 국내에서도 지하수의 라돈 함량이 지진과 상관성이 있다는 연구결과가 보고 되어 있다(Jeong et al., 2018). 지하수의 수위는 갈수기의 영향으로 인해 지속적으로 줄어드는 데 비해, 라돈의 농도는 지진 발생 직후 급격히 증가하는 양상을 나타내었다.

Table 1.

Studies of earthquake-related hydrogeochemical responses.

한편, M5.2 지진을 전후로 Poitrasson et al. (1999)에서는 납 농도 및 납 동위원소를 이용하였다. 지진 4일 전에 납 농도는 10배 정도 증가한 반면, 납 동위원소 값은 감소하였다. 이 연구에서는 수리지구화학 변동과 지진 간의 지연 시간(lag time)을 이용하여 서로 다른 수괴의 혼합 발생 지점을 추정하였다. 이 계산에서는 1) 대수층의 수리전도도(hydraulic conductivity)가 알려져 있어야 하며, 2) 지진이 물 혼합을 막을 수 있을 만큼의 어느 정도 큰 탄성 변형(elastic strain)을 방출하였다고 가정하였다. 이를 이용하여, 지하수의 이동속도를 계산하고 지연 시간을 이용하여 혼합 발생 지점을 계산하였다. 지하수의 화학성분과 동위원소 성분을 이용하여 지진 발생 이후 단층 닫힘(fault sealing)을 Claesson et al. (2007)에서는 보고하였다. 단층에 의해 연결성이 없는 두 대수층이 M5.8 (2002년 9월 16일) 지진 이후 연결성을 보이면서 빙하기(Ice Age)에 충진된 물의 특성을 나타내었다. 지진 이후 2년이 지나면서 지진 발생 전의 수리지구화학 조성을 나타내었지만, 두 번의 작은 지진 이후 다시 연결성이 생기면서 빙하기에 충진된 물의 동위원소 특성을 나타낸 것이다. 이를 통해 단층 닫힘이 발생하는 데에 걸리는 시간을 2년 정도로 규정하였다. 그림 1에서는 지진 이후 지하수의 화학성분 또는 동위원소 성분이 증가하거나 감소하는 것을 모식도로 나타내었다.

Fig. 1.

A schematic diagram for variations of major ions, trace elements isotopic compositions after an earthquake.

Taran et al. (2005)에서 지진의 규모 및 지역에 따라 “지진과 물의 상호작용(hydro-seismo interaction)”이 다름을 보였다. 멕시코에서 일 년 반 동안 일주일을 주기로 지진 활동이 많이 일어나는 네 곳의 샘물(spring water)에서 시료를 채취하고 화학성분 및 동위원소 성분을 분석하였다. 연구기간 동안 M3.8에서 M5.3 사이의 지진이 200회 이상 발생했으며, 수리지구화학 성분 중에서 Cl-, SO₄^2-, δD, δ¹⁸O이 특히 지진에 민감하였으며, 다시 원래 농도 수준을 돌아가는 완화시간(relaxation time)은 3주에서 4주 정도 걸렸다. 이 연구에서는 규모 M5.3 이하에서는 일주일 시간 간격으로 측정하는 이온이나 동위원소 값은 지진의 전조가 될 수 없으며, 특정한 두 곳(Dos Arroyos와 Paso Real)만이 지진에 민감하여, 향후 지진과 물의 상호작용의 기작을 이해하는 데에 도움이 될 수 있는 지역으로 선정하였다. Song et al. (2006)에서는 중서부 대만의 온천지역의 화학성분과 동위원소 성분을 분석하여 화학성분은 지진에 민감하지만 물 안정동위원소는 거의 변화가 없음을 보고하였다(1999년 7월부터 2001년 8월). 이 연구에 따르면 염화이온과 황산이온은 주요 지진이 발생하기 며칠 전부터 지진 발생 이후 2-3일 정도 평균보다 높은 값이 지속되었다. 지진에 의해 응력/변형률(stress/strain)의 변화에 의해 지하수의 이온 농도가 높은 분리된 영역이 만들어지고 이후 이 영역의 물과 혼합되면서 지진의 전조가 될 수 있다고 설명하고 있다. 하지만, 물 안정동위원소에는 변화가 없으면서 염소이온에는 변화가 있는 것에 대해서는 새로운 기작이 추가되어야 한다.

한편으로, 물의 안정동위원소는 추적자(tracer)로서 물 환경에서 물의 이동과정등을 규명하는 데에 매우 효과적으로 알려져 있다(Lee et al., 2010; Kim et al., 2019). 상온에서는 물 안정동위원소는 암석과 반응하지 않기 때문에 물-암석 반응(water-rock interaction)이 수소 및 산소의 물 안정동위원소 값을 변화시키지 않는다. 물의 증발(evaporation) 또는 다른 물과의 혼합(mixing)만이 물 안정동위원소 값을 변화시킬 수 있기 때문에 물 자체를 추적하는 데에 좋은 추적자가 될 수 있다. 한 가지 예외가 있는 경우가 높은 온도(200℃)에서는 암석과 물이 동위원소 교환반응을 하는 것으로 알려져 있으며, 이 때 산소동위원소만 물과 규산염이 반응하면서 변하는 것으로 알려져 있다. Onda et al. (2018)에서는 지하수의 안정동위원소만을 이용하여 지진의 예측 가능성에 대하여 보고하였다. M6.6의 지진이 발생하기 전에 지하수의 수소 동위원소 값(δD)은 변동이 크게 없지만, 지하수의 산소 동위원소 값(δ¹⁸O)은 분석의 오차범위를 넘어서는 값의 변동을 나타내었다(그림 2). 헬륨 동위원소를 측정하여 체적변형률(volumetric strain)을 제시하였으며, 산소 동위원소의 변동을 체적변형률의 변화와 관련이 있을 것으로 추정하였다.

Fig. 2.

A conceptual model for temporal variations of isotopic compositions of groundwater before and after an earthquake.

많지 않은 연구에서 주요 이온과 미량원소를 동시에 분석하여 제시하였다. Barberio et al. (2017)에서는 2016-2017년의 일련의 지진 동안 미량원소(As, Fe, V, Cr)의 변동은 있었지만 주요 이온 및 특정 미량원소(Li, B, Sr)에는 변동이 없는 것을 보고하였다. 미량원소가 지진에 좀 더 민감하게 반응하는 것으로 관찰되었지만, 지역별로 미량원소의 변동은 다르게 나타날 수 있음을 시사하고 있다. 따라서, 주요 이온과 미량원소를 동시에 분석하고 지진에 어떻게 반응하는가를 관찰하고 이에 대한 기작를 고찰하는 것은 매우 중요할 것이다.

3. 화학성분변동의 기작(mechanism) 및 제언

지진 이전 및 이후 지하수의 수위 및 화학성분의 변화에 대하여 몇 가지 기작 제시하고 있다. 하지만, 지진과 지하수의 수리지구화학 성분 간의 관계를 설명할 수 있는 일반적인 이론 및 기작은 아직 없으며, 개별 지진 및 장소별로 서로 다른 기작이 제시되고 있다(Skelton et al., 2019). 이렇게 제시된 기작들을 정리하면 지진의 정적 변형(static strain)에 의한 팽창(dilation) 및 압축(compaction), 퇴적물의 액상화(liquefication) 또는 고화(consolidation of sediments), 지진동에 의한 투수율(permeability)의 변화 등이 있다. 이 중에서 지각 변형 팽창(crustal strain dilation)과 대수층의 투수성 변동으로 인해 다른 물들의 혼합이 화학성분의 변동을 설명하는 주요 원인이 될 수 있다(Woith et al., 2013). 그러나, 많지 않은 데이터를 기반으로 제시한 기작이며, 지하수 수위와 화학적인 변동을 동시에 고려한 연구는 그다지 많지 않다. 또한, 지하수 수위와 미량원소를 지진과 연관시킨 연구는 거의 없는 실정이다.

기본적으로 단층대는 지하수의 흐름과 분포에 매우 중요한 역할을 한다. 단층은 지각에서 지하수의 이동에 통로(conduit)가 되거나 장애물(barrier)이 되기도 한다. 단층의 수리지질학적인 특성은 지진 활동의 결과로 바뀔 수도 있다. 지진동에 의한 투수율 및 변형률의 변화에 따른 대수층의 팽창 또는 압축에 의해 지하수의 유동에 변화가 발생하게 된다. 따라서, 동위원소 적으로나 화학적으로 완전히 다른 조성의 많은 물과 원래 있던 물과의 혼합이 발생하게 되면 수위에 변화와 함께 수리지구화학적인 변동이 발생하게 된다. 수위 변화가 강수에 의해 일어나지 않는다는 가정하에, 수위 변화와 함께 주요 이온의 변화가 발생한다면 이전에 전술한 기작으로 설명할 수 있다. 한편, 대수층을 둘러싼 암석에 지진에 의한 단열(fracture)이 많아지게 되면, 물과 암석의 상호작용이 증가하게 되어 용존이온의 농도가 증가하게 된다(Claesson et al., 2007). 즉, 활성표면지역(reactive surface area)이 증가하게 되며 화학적 또는 동위원소적으로 평형상태가 깨지게 되고, 이로 인해 더 많은 물과 암석의 상호작용이 발생하고 이로 인해 이온의 농도가 증가할 수 있다. 하지만, 이온의 농도가 증가하는 경우보다는 감소하는 경우가 많아서 다른 기작이 요구된다.

지진 이전과 이후에 지하수 및 샘물의 미량원소를 측정한 연구는 많지 않지만, 미량원소를 측정한 연구결과를 바탕으로 다른 기작을 제시할 수 있다(Shi et al., 2020). 미량원소에 따라서 지진에 대해 다른 반응을 보여 주기 때문에 특정 대수층에서 지하수의 수리지구화학에 미치는 요인이 다양할 것으로 예상할 수 있다. 국내에서는 아직 지진과 관련하여 미량원소에 대한 연구가 거의 없기 때문에 해외사례를 이용하여 다른 기작에 대하여 설명할 것이다. 또한, 국내에서도 지진의 전조로서의 가능성이나 지진에 대해 지하수가 어떻게 반응하는지 이해하기 위하여 지진 주변 지역에서의 주요 이온 및 미량원소에 대한 모니터링이 필요할 것으로 판단된다.

Rosen et al. (2018)에서는 그림 3과 같이 미량원소의 변동은 서로 다른 공극 (pore space) 또는 단열에 있는 물이 서로 다른 체류시간 또는 잔류시간(residence time)을 가지면서 혼합에 의해 의한 것으로 제시하였다. Shi et al. (2020)에서도 이러한 기작을 제시하였는데, 그 근거로 주요 이온의 농도는 크게 변하지 않았는데, 미량원소의 농도가 크게 변한 것을 제시하였다. 지진에 의한 진동은 대수층의 투수율의 변화를 가져오게 되고, 대수층과 주변에 고립되어 있던 공극(isolated pore 또는 dead pore)과의 연결성을 발생시킬 수 있다. 이는 주변 대수층과 매우 상이한 물이 혼합될 가능성이 있으며, 이로 인해 다양한 미량원소의 변동이 나타날 수 있다. 고립되어 있는 공극은 대수층에 비해 물의 양이 작기 때문에 지하수 수위를 크게 변화시키지 않으며 주요 이온 역시 크게 변화시키지 않으나 미량원소의 농도는 크게 변화시킬 수 있다. 보통의 지하수의 미량원소 양은 매우 낮거나 분석한계 이하이기 때문에, 연결성이 없던 공극에서의 물이 혼합되게 되면 미량원소의 농도를 변화시킬 수 있다. 이는 연결성이 없는 공극에서는 물과 암석의 상호작용이 거의 평형에 도달하였다고 가정한 것이다. 하지만, 이러한 경우에는 미량원소의 농도가 지진동 이후 증가하여야 하므로, 지진동 이후 농도가 감소하는 경우에는 완전히 고립되어 있는 공극이 아니므로 공극에서 꾸준히 혼합이 일어나서 희석이 발생하여야 한다(Lee et al., 2008).

Fig. 3.

A conceptual model of earthquake-induced hydrogeochemical changes of groundwater.

미량원소는 pH 및 산화-환원환경(redox environment)에 민감하기 때문에 대수층의 물리적-화학적 환경에도 주의하여야 한다(Barberio et al., 2017). 예를 들어, 주변 지표수가 지진에 의해 수리학적 연결성(hydraulic connection)이 발생하게 되어 지하수가 혼합될 수 있다. 동위원소 또는 화학적으로 지표수와 지하수는 매우 다를 수 있으므로, 지하수의 수리지구화학적인 변동이 발생하였을 때 지표수 및 지하수의 특정 대수층과의 혼합 가능성을 고려해야 할 것이다. 또한, 지역별로 지질과 수리지질학적인 환경이 다르기 때문에 어떠한 미량원소가 지진에 민감한지는 암석의 종류 및 연구지역의 물리적-화학적 환경에 따라 다를 것이다. 특별히, 산화-환원 환경이 바뀌는 지역이나 여러 대수층이 혼재되어있는 지역의 경우 미량원소가 지진에 민감할 가능성이 높기 때문에 이러한 지역을 중심으로 지진의 전조로서 미량원소 및 주요 이온을 모니터링하는 것이 필요하다.

Acknowledgments

이 연구는 산업통상자원부(MOTIE)와 한국에너지기술평가원(KETEP)의 지원으로 이루어졌습니다(No.20171510101960).

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